侯慧健 肖思源 林永明

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663）

前言

新能源汽車和電動(dòng)自行車作為近年來新型的交通工具，具有環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。在我國，新能源車的用戶群日益龐大、保有量不斷增長(zhǎng)，充電難的問題顯得尤為突出。為了解決充電難的問題，充電樁的建設(shè)成為了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中重要的一環(huán)。目前，我國已隨處可見智能充電樁。順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，這類智能充電樁也具備接入網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)提供商后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與驗(yàn)證的能力，這樣的聯(lián)網(wǎng)管理模式是設(shè)備的信息化管控以及未來智能化擴(kuò)展的基礎(chǔ)。

然而，雖然設(shè)備的制造商不斷增加，為用戶提供了更多的選擇，但不同的充電樁品牌之間，其用戶端的接入方式往往是不統(tǒng)一的，且云平臺(tái)與設(shè)備間也無法互相兼容，缺乏互聯(lián)互通能力。例如，用戶在接入不同品牌的廠商提供的服務(wù)時(shí)，通常都需要安裝對(duì)應(yīng)的手機(jī)App；在充電樁設(shè)備與云平臺(tái)的通信方面，廠商既可以采用底層的TCP/IP套接字方式進(jìn)行高度自定義的開發(fā)，又可以采用高度封裝、量級(jí)較大的應(yīng)用層框架。由于采用的通信協(xié)議、接口規(guī)范方面的差異，不同廠商的設(shè)備、云平臺(tái)之間無法相互通信，這顯然是一種資源的浪費(fèi)。實(shí)際上，充電樁物理設(shè)備本身就是通過統(tǒng)一的充電接口規(guī)范大大提升用戶充電的便利程度，不同品牌的充電樁只要電源與接口合乎規(guī)范，便能夠相互兼容。然而在軟件服務(wù)與通信這一層面，卻再度遇到了這一痛點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)電動(dòng)自行車智能充電樁的互聯(lián)互通方案，在保證系統(tǒng)各部分能高效率運(yùn)作的同時(shí)，解決智能化充電中由于接入方式不統(tǒng)一導(dǎo)致的不便，并通過統(tǒng)一的、共享的管控提高管理的效率。

1 方案設(shè)想

在實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通前，對(duì)于不同制造商生產(chǎn)的智能充電樁產(chǎn)品，用戶必須使用不同的前端程序，訪問設(shè)備對(duì)應(yīng)廠商提供的云平臺(tái)，以獲取接入設(shè)備、使用服務(wù)的權(quán)限。對(duì)于手機(jī)用戶來說，使用不同品牌的充電樁需要下載安裝各自品牌的App，原本帶來便利的技術(shù)革新反而制造了不便。如果不同品牌的產(chǎn)品能夠使用統(tǒng)一的通信協(xié)議，則可以實(shí)現(xiàn)不同云平臺(tái)、終端設(shè)備之間的相互兼容，達(dá)到互聯(lián)互通的目的。具體的，如圖1所示，在實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通以前，B廠商的產(chǎn)品只能通過使用B廠商提供的App進(jìn)行訪問云平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程接入；在實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通以后，使用任意廠商的App訪問對(duì)應(yīng)的云平臺(tái)，即可訪問任意的采用統(tǒng)一通信協(xié)議的設(shè)備。這樣一來不但為用戶省去了安裝多個(gè)App的煩惱，還能將不同品牌設(shè)備的管理進(jìn)行集成，以提高管理效率。

2 通信架構(gòu)

通信構(gòu)架如圖2所示，可分為設(shè)備層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、云平臺(tái)三個(gè)部分。

設(shè)備層：設(shè)備與云平臺(tái)之間通過EDP協(xié)議進(jìn)行通信，其中，設(shè)備端程序是基于EDP SDK進(jìn)行開發(fā)的。在整個(gè)通信架構(gòu)之中，EDP連接承載了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和控制命令。設(shè)備會(huì)上報(bào)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到云平臺(tái)，而如果需要實(shí)時(shí)接收業(yè)務(wù)應(yīng)用層下發(fā)的控制命令，則需要保持EDP長(zhǎng)連接。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：基于HTTP協(xié)議，前端通過RESTful API統(tǒng)一接入云平臺(tái)，操作云平臺(tái)提供的資源（設(shè)備、數(shù)據(jù)點(diǎn)、命令控制等資源的增刪查改），可以自定義實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)平臺(tái)。

3 通信實(shí)現(xiàn)方案

在通信中，設(shè)備層使用CONN_XXX消息類型與云平臺(tái)建立連接。在設(shè)備層將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報(bào)平臺(tái)時(shí)，使用PUSH_DATA或者SAVE_DATA消息，同樣的，云平臺(tái)也使用這兩種消息類型向設(shè)備層發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，云平臺(tái)使用CMD_XXX給設(shè)備層發(fā)控制消息。設(shè)備層與云平臺(tái)之間通過PING_XXX保持長(zhǎng)連接。具體命令表如表1所示。

在各個(gè)不同廠商的充電設(shè)備和云平臺(tái)之間使用統(tǒng)一的通信協(xié)定，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備間、不同層級(jí)間的互聯(lián)互通。如表2所示，為設(shè)備與云平臺(tái)間的通信接口。通信數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用JSON格式進(jìn)行封裝，通過EDP協(xié)議進(jìn)行連接的維護(hù)與數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)使用UTF-8編碼。

圖1 應(yīng)用場(chǎng)景圖

圖2 通信架構(gòu)

對(duì)比專業(yè)大型的充電站，智能充電樁能應(yīng)用于城市的各個(gè)地下停車場(chǎng)、超市及小區(qū)的地上停車位等多個(gè)場(chǎng)所。如圖3所示，多個(gè)電動(dòng)自行車智能充電樁組網(wǎng)配合通信，通常采用“小網(wǎng)組合大網(wǎng)”（ZigBee+4G）的通信方式，即在電動(dòng)自行車智能充電樁與總控制器之間先采用本地ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行通信，再通過總控制器采用4G網(wǎng)絡(luò)與局域網(wǎng)連接設(shè)備或后臺(tái)設(shè)備管理平臺(tái)進(jìn)行通信的通信方式。這種通信方式充分結(jié)合了ZigBee通訊可自組網(wǎng)、無需流量的通訊優(yōu)點(diǎn)，更加便捷地對(duì)各個(gè)外接電動(dòng)自行車智能充電樁設(shè)備進(jìn)行有效化管理，僅總控制器采用4G網(wǎng)絡(luò)通信，大大降低了4G網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)成本。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

4.1 設(shè)備實(shí)現(xiàn)

市面上的智能充電樁，不僅要做到外圍設(shè)備的輸出電壓可控，以滿足設(shè)備的通用性以及對(duì)外接設(shè)備的管理需要，更要滿足各項(xiàng)應(yīng)用功能，如人機(jī)交互、身份認(rèn)證，信息保存、計(jì)量收費(fèi)、遠(yuǎn)程信息交互等功能。因此，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，硬件方面，可以使用低功耗、速度快的微處理器。本文選用基于ARM架構(gòu)的32位處理器，配合UART、SPI等串行接口和繼電器控制電路來實(shí)現(xiàn)電路構(gòu)成（如圖4）。在軟件方面，主要采用嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux、Windows CE等，提高開發(fā)效率，提高系統(tǒng)的可靠性。

表1 EDP消息命令

表2 設(shè)備與平臺(tái)之間的互聯(lián)接口

圖3 物聯(lián)網(wǎng)終端通信融合

圖4 設(shè)備硬件組成

4.2 安全性

整個(gè)智能充電樁的通訊數(shù)據(jù)傳輸過程應(yīng)高效保密性，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通性關(guān)鍵在于使用統(tǒng)一的協(xié)議，且該協(xié)議應(yīng)能廣泛應(yīng)用于多個(gè)不同的設(shè)備上，應(yīng)用TCP連接的EDP協(xié)議即是當(dāng)前最適用的通信協(xié)議。使用EDP協(xié)議在平臺(tái)服務(wù)器上上傳備份數(shù)據(jù)點(diǎn)，注冊(cè)用戶和創(chuàng)建新用戶設(shè)備，不同設(shè)備通過創(chuàng)建和保存信息后，在登陸服務(wù)器時(shí)，接受設(shè)備信息方和發(fā)送信息方僅需在服務(wù)器獨(dú)自鑒權(quán)登錄，再由平臺(tái)接收設(shè)備1數(shù)據(jù)，后將數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)容復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)到設(shè)備2；即可實(shí)現(xiàn)信息對(duì)傳，做到不同設(shè)備在同一服務(wù)器上的互聯(lián)互通。具體的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖5所示。

4.3 后臺(tái)管理

智能充電樁的通訊互聯(lián)互通性的實(shí)現(xiàn)滿足了后臺(tái)管理人員遠(yuǎn)程通過同一服務(wù)器對(duì)多個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。在使用統(tǒng)一的通訊協(xié)議在平臺(tái)注冊(cè)信息后，后臺(tái)管理人員可以使用云平臺(tái)賬號(hào)對(duì)在平臺(tái)注冊(cè)的信息進(jìn)行在線管理，并且做到對(duì)設(shè)備的異地化管理，通過對(duì)設(shè)備向云平臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)包類型和大小，判別設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備信息，及時(shí)對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行發(fā)現(xiàn)排除，遠(yuǎn)程更新設(shè)備配置，共享傳輸資料等。云平臺(tái)監(jiān)測(cè)圖如圖6所示

圖5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)流程

5 產(chǎn)品驗(yàn)證

目前國內(nèi)最大的云平臺(tái)為阿里云平臺(tái)和騰訊云平臺(tái)，本次研究以電動(dòng)自行車智能充電樁為基礎(chǔ)，搭建了一個(gè)基于EDP協(xié)議和RESTful API搭建的通信方案的電動(dòng)自行車智能充電樁。圖7為智能充電樁產(chǎn)品圖，用戶可通過支付寶或微信掃智能充電樁上的二維碼進(jìn)入小程序，按指示付費(fèi)充電。圖8為微信小程序充電界面。

成功通過支付寶和微信掃描二維碼的方式為電動(dòng)自行車充電，實(shí)現(xiàn)單個(gè)充電樁對(duì)應(yīng)多個(gè)云平臺(tái)。各智能充電樁廠家若采納該通訊方案應(yīng)用到其產(chǎn)品上，那么就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)云平臺(tái)對(duì)應(yīng)多個(gè)充電樁產(chǎn)品。對(duì)于用戶而言，可以無需下載對(duì)應(yīng)智能充電樁廠家的App，提高了用戶體驗(yàn)；對(duì)廠家而言，增加了用戶粘性，可以吸引更多用戶使用其產(chǎn)品。

6 結(jié)論

互聯(lián)互通性作為智能充電樁的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，一直是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品流通和使用的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)今智能充電樁產(chǎn)品仍有許多設(shè)備未能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通性。本文提出了一個(gè)基于EDP協(xié)議和RESTful API搭建的通信方案，該方案能夠有效解決充電樁應(yīng)用的互聯(lián)互通問題，實(shí)現(xiàn)不同廠商云平臺(tái)和設(shè)備之間的相互通信、相互兼容，有效地提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率、提升設(shè)備的管理效率、以及減少用戶在使用過程中的不便。

圖6 云平臺(tái)監(jiān)測(cè)界面

圖7 智能充電樁產(chǎn)品圖

圖8 微信小程序充電界面